自动化信息技术在农业工程中的应用.doc
白春雨1 ,时玲1 ,张亚静1 ,申耀武2 ,张汝坤1(1 . 云南农业大学 工程技术学院 ,昆明 650201 ;2 . 山西农业大学 工程技术学院)摘要 :简要介绍了几种自动化信息技术 (如虚拟仪器技术 、机器视觉技术 、专家系统 、数据挖掘技术 、数据融合技术) 的概念 、特点 ,概述了其在农业自动化领域的应用 ,最后分析了这些技术在农业工程应用中存在的一些共性 问题 ,并指出了这些自动化信息技术在我国农业自动化领域具有广阔的前景 。关键词 :农业工程 ;自动化信息技术 ;应用随着现代科学技术的进步和现代高效农业的不断发展 ,自动化信息技术在现代农业生产过程中不 可替代的地位和作用越来越被人们所认识 。农业自 动化信息技术能够大大提高劳动生产率和增加劳动 舒适性 ,而且随着经济的全球化 ,面临农产品开放进口和市场竞争的压力 ,现代农业只有通过进一步提 高生产率 、降低生产成本和提高产品品质才能生存 。 再者 ,精准农业已成为农业的一个发展趋势 ,精准农 业正是自动化信息技术和人工智能技术在农业生产 系统上的集成应用 。从这些新的需求出发 ,农业生产向着高效率和高精度的机械化 、自动化 、信息化方 向发展是必然的选择 。现将我国现有的几种在农业 中应用的自动化信息技术综述如下 。技术 、传感器技术密切结合 ,共同孕育出的一项新成果 ,是 20 世纪 90 年代计算机系统和仪器系统技术 革命的产物 。以计算机作为仪器的统一硬件平台 , 充分利用计算机独特的运算 、存储 、回放 、调用 、显示 及文件管理等智能化功能 ,同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化 ,使之与计算机融为一体 , 构成一台从外观到功能都完全 与传 统硬 件 仪器 相 同 ,同时又充分享用计算机智能资源的全新仪器系 统 。由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件 形成 , 因 此 国 际 上 把 这 类 新 型 仪 器 称 为“虚 拟 仪器” 13 。虚拟仪 器 ( Vi r t ual In st r ume nt atio n , 简 称 V I) 的概念首先由美国国家仪器公司 ( Natio nal In st r u2 me nt s Co rpo ratio n ,简称 N I) 于 1986 年提出 。虚拟 仪器的特点与传统仪器相比决定虚拟仪器有着绝对优势 (参见表 1) 。1虚拟仪器技术在农业工程中的应用虚拟仪器技术是日益发展的计算机技术 、仪器虚拟仪器与传统仪器特点对比 4 表 1项目传统仪器虚拟仪器仪器定义关键件 功能扩展开放性 价格更新周期 维护费用由厂商定义硬件 仪器功能规模固定封闭的系统 ,与其它设备连接受限 价格昂贵技术更新周期 510 年 开发和维护费用高用户自己定义软件 系统功能规模可通过修改软件进行增减基于计算机的开放系统 ,可方便与外设 、网络及其它应用程序连接 价格低 ,可重复利用技术更新周期 12 年 软件结构大大节省了开发和维护费用目前虚拟仪器技术已成功应用于数据/ 图像采集控制系 统 、GP IB 仪 器 控 制 系 统 、V XI ( V M E e x2t e nded In st r ume nt atio n) 仪器系统以及过程控制 、自 动化等领域 。基于该技术的优势和特点可望在农业工程中获得广泛的应用 ,如美国 Geo matic s 公司于1996 年采用虚拟仪器开发工具 ( L a b V I EW 软件)开发了自动灌溉系统 ,该系统不仅可监视 、控制灌溉 方式 ,还能够记录不同灌溉方式的经济性 ,可有效地降低成本 。美国 Gol dsmit h 种子公司于 1 9 9 7 年利 用虚拟仪器开发工具开发了计算机自动化秧苗分析系统 ( CA SA) ,用于监视秧苗质量和预测在最后发芽 期限 发 芽 良 好 的 秧 苗 数 量 。密 歇 根 工 业 大 学 于1996 年开发了柴油机实验室自动化数据采集与控 制系统 ,中国农业大学于 1999 年开发了免耕精播机虚拟仪器检测系统和苹果分选系统 。精密播种机虚拟仪器检测系统可自动检测常规台架试验中的所有 项目 ,获得所需的各类数据 ,如合格粒距平均值 、落种性能 (合格指数 、重播指数 、漏播指数) 、播种精度 变异系数及种子落地速度等 ,并做到操作界面可视收稿日期 :2005 03 22测试与研究提供了技术基础 。李伯全等 8 利用基于时间序列的动态图像处理技术定量地描述了抛土率 并对抛土率理论模型进行了验证 ,还利用摄像机对潜土逆转旋耕机工作过程 ( 抛土过程) 进行 动态 拍 摄 ,以获得潜土逆转旋耕机抛土过程中土垡的运动 参数 ,为进一步提高逆转旋耕机的性能研究提供了 基础 。d. 农作物生长状态监控运用机器视觉技术对封闭系统中 (如温室 、大棚内) 的作物进行图像采集 , 通过植物的外观来测知封闭系统的环境因素 ,用以 指导环境控制策略 。它实现了监控的非介入性 。的开关 。这些系统 都具 有同 类 系统 不可 比拟 的 优点 5 。机器视觉技术在农业工程中的应用2提高农业生产效率和农业生产自动化程度是农业现代化的根本需要 ,而任何一种农业生产自动化 的实现均有赖于对作业对象的正确识别 。机器视觉 是指用计算机实现人的视觉功能 ,即对客观世界的三维场景的感知 、识别和理解 6 。早在 20 世纪五六 十年代人们已经开始了对机器视觉的研究 。如今机 器视觉在各行各业都获得了广泛的用途 ,如工业机 器人的手眼协调系统 、智能交通领域中汽车牌照的 定位与识别 、闭路保安监控系统 、C T 扫描技术 、水印在线自动检测系统等 。 机器视觉在农业生产领域的研究与应用始于20 世纪 70 年代末 ,当时研究主要集中在对农产品 (如苹果 、西红柿 、黄瓜) 进行品质检测和分级等 。由 于受到当时计算机发展水平的影响 ,检测速度达不到实时的要求 ,处于实验研究阶段 。随着电子技术 、 计算机软硬件技术 、图像处理技术及与人类视觉相 关的生理技术的迅速发展 ,机器视觉技术本身在理 论和实践上都取得了重大突破 ,在农业上的研究与 应用也有了较大的进展 。目前 ,机器视觉技术在农业上的研究和应用主要在以下几个方面 。a . 农业机器人 这种机器人能够利用机器视觉 实现播种 、收割 、搬运等功能 。例如 ,日本北海道大 学 ( U nive r sit y of Ho k kai do ) 的 N . No guc hi 等人研 制了基于 地磁 方 位 传 感 器 ( Geo ma gnetic Di rectio nSe n so r) 和图 像传 感器 ( Ima ge Se n so r ) 的 农业 机 器 人 ,可用于田间自动定位 、自主行走和搬运作业等 。e . 精 准 农 业 ( Preci sio n A gricult ure )如 中 耕服务的杂草识别技术 ,为植保服务的病虫害识别与预报技术 ,以及大型牧场的管理等 9 。 随着近几年来机器视觉在国内外农业工程中的应用 ,相应地出现了许多新的方法和理论与之相融 合 ,为其进一步发展 奠 定了 基础 , 也 取得 了 一些 成 果 ,如水果品质动态检测系统 、自动收获机器人技术等 。但由于我国在这方面起步较晚 ,与国外起步较 早的国家相比仍存在着很多明显的不足 。专家系统在农业工程中的应用3所谓专家系统 ,具体地说 ,就是知识工程师通过知识获取手段 ,将领域专家解决特定问题的知识运 用某种知识表示技术编辑成或自动生成某种特定表 示形式 ,存放在知识库中 ,然后用户通过人机交互接 口输入信息 、数据或命令 ,并借助于数据库等 ,运用 推理机构控制知识库和整个系统工作 ,得到问题的求解结果 10 。因此可以用在农业中代行农业专家 的职责或起一定的辅助作用 ,解决大多数人不能解 决或不能高效解决的问题 。图 1 所示为专家系统最 常见的系统结构 。b . 农产品自动 收获 及产 后 分级 和包 装机 器视觉系统配上收获机构 、行走机构组成的自动收获机械可以进行大面积的农产品收获作业 。随着数字 信号处理技术和高速摄像机技术的快速发展 ,人们开始将动态图像处理技术应用于农产品的产后处理及包装等领域 ,其中最为典型的例子就是水果品质 智能化检测和分级生产线 。该系统主要分为水果输 送系统 、图像采集系统 、计算机视觉系统和水果分级系统 7 。c . 农业机械性能研究与评定在以往对农机具 性能参数的测试研究中 ,很难做到对一些现象的动图 1 专家系统基本系统结构示意图知识库用于存放领域知识 ,在系统中它独立于其它各部分 , 这是专 家 系统 结构 的一 个 重要 特征 。推理机构是控制整个专家系统进行工作 、求解问题的机构 ,又称为推理机 、控制机构 ,或叫问题求解器 。解释机 构 专 用 于 向 用 户 解 释 在 推 理 过 程 中“为 什进行数据 、信息或命令的输入以及结果的输出和信息的显示等 10 。专家系统应 用 于农 业 , 国内 外 发 展 均 很 迅 速 。 农业专家系统目前已成为农业信息技术发展中的一个热门话题 。国际上农业专家系统的研究 ,最早始于 20 世纪 70 年代末期 ,当时开发的系统主要是面 向农作物的病虫害诊断 。例如 ,1978 年美国伊利诺 伊大学开发的大豆病虫害诊断专家系统 PL A N T/cd 。我国农业专家系统的研究 ,早在 20 世纪 80 年 代初期就已开始 ,是国际上开展此领域研究与应用 比较早的国家 。中国科学院合肥智能机械研究所与 安徽省农业科学院土壤肥料研究所合作研制的“砂 姜黑土小麦施肥专家系统”,于 1985 年 10 月建成 ,比美国 1986 年 10 月投入实用的著名农业专家系统 CO MA X 还早 1 年 ,开拓了农业专家系统在我国的 应用发展 ,并荣获国家科技进步二等奖 。此后各地 高校 、研究所和农科院也相继开发了不少农业专家 系统 。例如 ,北京农业大学的作物病虫预测专家系统和农作制度专家系统 ,中国农业科学院畜牧研究 所的畜禽饲料配方专家系统等 11 ,12 。实践证明 ,发展农业专家系统技术是一项投资 少 、见效快 、实用性很强的新技术 。普遍反映 ,它是 传统农业向现代化农业转变的重要标志 ,是科技兴农的重大突破 ,为把先进农业技术送到亿万农民手 中开辟了一条崭新的途径 。取隐含在其中的 、人们事先不知道的但又是潜在的有用信息和知识的过程 。数据挖掘的对象不仅是数 据库或数据仓库 ,也可以是文件系统 ,或其它任何组织在一起的数据集合 ,如 W W W 信息资源 。 农业信息系统的建立和大量农业数据的增长 ,使人工获取知识和分析数据变得越来越难 ,因此需 要对数据进行自动分析并获取知识 。利用数据挖掘 技术可以实现这一点 。农业是一巨型复杂系统 ,我国土地辽阔 ,土壤类型众多 ,作物品种复杂 ,病虫害 发生频繁且症像不断变化 ,肥水 、密度以及气候相互 之间的关系和影响 ,许多还未被人们所认识 。然而 所积累的数据之多是任何一个领域所没有的 ,它具 有大量 、多维 、动态 、不完整 、不确定等特性 。由于农业自身的一些特点 ,就使得关于它们的数据库与知 识库具有大型 、多维 、动 态 、不完 全 ( 缺值) 、不确 定 (数据中的系统或随机噪声) 和稀疏性 ( 很少甚至没 有有用的记录) 等特征 15 。因此 , 数据挖掘工具应 能处理农业数据的这些特征 ,从而为指导农业生产提供更充分的信息依据 。5数据融合技术在农业工程中的应用数据融合即多传感器的信息融合 ,它是 20 世纪80 年代形成和发展起来的一种自动化信息综合处理技术 ,是指对来自多个传感器的数据进行多级别 、多方面 、多层次的处 理 , 从 而产 生新 的有 意 义的 信息 ,而这种新信息是任何单一传感器所无法获得的 。4数据挖掘技术在农业工程中的应用数据挖掘技术是近几年迅速发展起来的一门交多传感器信息融合技术产生于军事 ,是多学科 、多领域所共同关心的高层次共性关键技术 ,包括我国在内的许多国家都将它列为重点发展的关键技术 16 。叉学科 ,涉及到数据库 、统计学 、人工智能与机器学习等多个领域 。随着人们获取数据手段的多样化 , 致使拥有的数据急剧增加 ,数据库系统所能做到的 只是对数据库中已有的数据进 行存 取和 简单 的 操 作 ,通过这些数据所获得的信息量仅仅是整个数据库所包含信息量的一部分 ,无法获得隐藏在这些数 据之后关于这些数据的整体特征的描述及对其发展 趋势预测的重要信息 ,而这些信息在决策制定的过 程中具有重要的参考价值 13 。数据挖掘 (Dat a Mi ni ng ,简称 DM) 有两种内涵不同的定义 。一般指从大型数据库或数据仓库中提 取隐含的 、未知的 、非平凡的及有潜在应用价值的信 息或模式 13 ,14 。这种定义把 数 据挖 掘的 对象 定 义随着技术的不断发展现正广泛应用于自动目标识别 、机器人 、遥感 、医疗诊断 、图像处理 、模式识别 、气象预报 、智能仪表 、工业过程控制系统等方面 ,近几年在农业工程领域也有应用 。例如 : 滕召胜 17 ,18 将信息融合技术用于所研究的基于自适应加权信息 融合的粮食水分快速测定仪 ,克服了同类产品存在 的问题 ,达到 了快 速 、准 确测 定的 目 的 。St ei nmetz 等人 19 提出用基于 Ba ye s 推理或 De mp st e r2Shaf e r 证据理论的多传感器信息融合的方法来评价水果质 量 ,经测试该方法对西瓜 、梨 、甜瓜 、桃等农产品品质 评价均为有效 。近年来 ,我国已经启动了精准农业 、农业生态工运动参数 J . 江 苏 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) , 2002 , 23(2) :1 - 3 .应义斌 ,傅宾忠 ,蒋亦元 ,等 . 机器视觉技术在农业生产 自动化中的应用 J . 农业工程学报 , 1999 , 15 ( 3) : 199- 203 .关技术的发展 ,各种面向复杂应用背景的多传感器信息系统将大量涌现 。多传感器信息融合必将成为 未来智能检测 、智能控制与数据处理中的重要技术 , 它无疑将有助于提高与改善系统的性能 。精准农业 是信息技术和人工智能技术在农业生产系统上的集成应用 ,而多传感器信息融合技术的应用可加强精准农业关键技术的深入研究 。多传感器信息融合技 术在军事 、工业 、遥感等众多领域已得到广泛应用 ,在当今倡导工程技术创新的条件下 ,该技术在农业中也将有广阔的应用前景 20 。 9 10 戴汝为 . 人工智能 M . 北京 : 化学工业出版社 ,2002 :69 - 78 . 11 黄贵平 ,杨 林 ,任明见 ,等 . 专家系统及其在农业上的应用 J . 种子 , 2003 (1) :54 - 57 .郑丽敏 ,任丽梅 ,任发政 . 农业专家系统的发展与精准 农业 J . 中国农业科技导报 ,2002 (4) :62 - 64 .邵峰晶 ,于忠清 . 数据挖掘原理与算法 M . 北京 : 中 国水利水电出版社 ,2003 :1 - 30 .邸凯昌 . 空间数据挖掘与知识发现 M . 武汉 :武汉大学出版社 ,2000 :2 15 . 12 13 6结束语任何产业的快速发展都离不开高新技术 ,今后 14 农业的发展方向是走集约化 、大生产的路子 ,因此更依赖于现代化的高新技术 。自动化信息技术为农业 工程的发展开掘了新的发展道路 ,但这些技术除了 自身有一些技术难题需解决外 ,在农业工程应用中 还存在一些共性问题 。诸如 ,处于实验阶段的自动 化信息技术使整套设备造价昂贵 ,构造复杂 ,性价比 不高 ,我国的精准农业技术不成熟 ,这些技术还不能 大面积推广普及等 。对于起步较晚的我国农业工程 研究领域 ,应积极借鉴国内外的研究成果 ,大力开展 其在农业工程领域方面的研究 ,并走出一条符合自 己国情的道路 。相信不久的将来 ,本文综述的这几 种较前沿的自动化信息技术将会发挥巨大作用 ,从 而促进我国农业的快速发展 。 15 李 慧 ,乔谊正 . 自动化信息技术在农业生产中的几种应用前景 J . 当代生态农业 ,2004 ,13 (1) :32 - 34 . 何 友 ,王国宏 ,彭应宁 ,等 . 多传感器信息融合及应 用 M . 北京 :电子工业出版社 ,2000 :1 - 10 .滕召胜 ,蔡 铁 ,王可宁 ,等 . 一种智能化粮情自动检 测系统 J . 农业工程学报 ,2001 ,17 (4) :144 - 157 . 滕召胜 . 基于自适应加权数据融合的粮食水分快速测 定仪 J . 农业机械学报 ,1999 ,30 (6) :64 - 67 .Steinetz V . 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